DE1952569A1 - Traeger fuer elektrische Bauteile und integrierte Schaltungen - Google Patents

Traeger fuer elektrische Bauteile und integrierte Schaltungen

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Wakely Wilbur Thomas
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Texas Instruments Inc
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Description

DR.-INS. DIPL.-INQ. M. SC. DIPU.-PHYS. DR. DIPU-PHYS.
HÖGER-STELLRECHT-GRIESSBACH- HAECKER
PATENTANWÄLTE IN STUTTGART
A' 37 658 b
k - 135
16. Okt. 1969
TEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED DALLAS', TEXAS USA
Träger für elektrische Bauteile und integrierte Schaltungen '
Die Erfindung betrifft einen Träger für elektrische Bauteile und integrierte Schaltungen, der einen Körper aus einem isolierenden Werkstoff mit ebenen, oberen und unteren Oberflächen aufweist, auf dessen oberer Fläche metallische Oberflächenbereiche vorgesehen sind, an die die Bauteile bzw. integrierten Schaltungen anschließbar sind, sowie mit Leiterbahnen, die von den metallischen Oberflächenbereichen nach unten führen. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit Trägern für Hybridschaltungen mit miniaturisierten Halbleiterbauteilen.
Bis jetzt mußten integrierte Schaltkreise durch.eine entsprechende Ummantelung oder durch Träger anderer Art ge-
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BAD ORKälNÄi.
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schützt bzw. fixiert werden, bevor sie in gedruckte Schaltkreise oder andere Hybridkreise eingesetzt vrarden. Infolge der äußerst kleinen Abmessungen der miniaturisierten elektronischen Bauteile im Verhältnis zu den Anschlußstellen der gedruckten Schaltkreisflächen werden solche Träger unentbehrlich. Dabei können die miniaturisierten elektronischen Bauteile lediglich einen einzelnen Transistor oder auch eine Vielzahl aktiver vmd passiver Einzelbauteile enthalten.
ρ Eine Anzahl verschiedener Techniken zur Befestigung miniaturisierter elektronischer Bauteile auf gedruckten Schaltkreisplatten wurde bereits entwickelt. Beispielsweise wurde die Unterseite, eines Blocks aus keramischem Material maschinell so bearbeitet., daß das Ganze einen Träger ergab, der eine Anzahl von Füßchen oder Pfosten aufwies, die aus dem Trägerkörper herausragten, wobei zwischen den Pfosten eine glatte Fläche geschaffen worden war. Die Pfosten sind an ihren Enden metallisiert. Der miniaturisierte elektronische Schaltkreis liegt in der Fläche zwischen den Pfosten und kleine Drähte verbinden die metallisierten Pfostenenden und die Anschlüsse des miniaturisierten Schaltkreises. Nun wird
* der Träger umgedreht und die metallisierten Pfostenenden
• werden mit dem gedruckten Schaltkreis so verbunden, daß der Träger fixiert und die elektrische Verbindung gewährleistet ist. Bei solchen Trägern, die den integrierten Schaltkreis auf der Seite der;Füßchen haben, entsteht nun der Nachteil, daß nach Befestigung des. Trägers auf der.gedruckten Schaltung der miniaturisierte elektrische Schaltkreis versteckt angeordnet ist"und somitSchwierigfceiten bei einerWartung und
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Prüfung des Schaltkreises auftreten, die zu einem späteren Zeitpunkt durchgeführt werden muß. überdies erfordern solche Träger Bearbeitungsgänge mit hohen Toleranzforderungen bei der Bearbeitung und Metallisierung.
Des weiteren wurden Träger entwickelt, bei denen die miniaturisierten elektronischen Bauteile auf der oberen Oberfläche eines isolierenden Trägerkörpers angebracht waren, wobei eine Anzahl flexibler metallischer Zuführungen vorgesehen war, welche mit den elektronischen Bauteilen verbunden waren und sich horizontal vom Trägerkörper wegerstreckten. Diese Zuführungen werden gebogen und dann mit der gedruckten Schaltung elektrisch verbunden. Dabei entstehen gelegentlich infolge der relativ hohen Temperaturen, die zur Verbindung der flexiblen metallischen Zuführungen mit der gedruckten Schaltung erforderlich werden können, gewisse Schwierigkeiten. Die flexiblen Zuführungen erzeugen bei ihrer Herstellung und Handhabung, nachdem sie am Träger befestigt wurden, auch deshalb Schwierigkeiten, da sie sich leicht verformen und auch gelegentlich abbrechen, überdieskönnen solche flexiblen Leitungen unter Umständen Löcher in der gedruckten Schaltung erforderlich machen..
Es wurden auch Träger ohne elektrische Drähte entwickelt, bei denen ein miniaturisierter elektronischer Schaltkreis an der oberen Oberfläche des keramischen Trägers aufgebracht und mit diskreten Metallschichten auf dieser Oberfläche ver- · bunden wurde. An den Metallschichten werden die' einen Enden
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steifer Drähte befestigt und durch den keramischen Träger vertikal hindurchgeführt, so daß sie auf,dessen unterer Seite etwas herausragen. Die so herausragenden Drahtenden werden schließlich mit der gedruckten Schaltung verlötet. Ein Nachteil dieser Technik ist nun, daß zum Anlöten beträchtliche Wärmemengen erforderlich sind, überdies können Zinn und Flußmittel den Drähtchen entlanglaufen oder zwischen diese geraten, wodurch Kurzschlüsse und andere Schwierigkeiten hervorgerufen werden können. Ein weiterer Punkt war der, daß die oberen Metallschichten aus demselben Metall wie die sich nach unten erstreckenden Drahtchen sein mußten; deshalb mußte eine Kompromißlösung zwischen den Leitereigenschaften und den Loteigenschaften gefunden werden.
Die Aufgabe der Erfindung ist nun, die obengenannten Nachteile zu vermeiden' und ein Verbindungssystem zu schaffen, das eine rationelle und wirtschaftliche Großfertigung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird für Träger der eingangs erwähnten Art gem. der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß an der Unterseite des isolierenden Körpers in an sich bekannter V/eise im Abstand voneinander mehrere nach unten vorspringende Füßchen aus isolierendem Werkstoff vorgesehen sind, bis zu deren unteren Stirnflächen sich die Leiterbahnen erstrecken.
Durch die Erfindung wird neben der Beseitigung der vorstehend erwähnten Nachteile der Vorteil erzielt, daß das elektrische ' Bauteil bzw. der miniaturisierte elektronische Schaltkreis jederzeit auch nach der Montage seines Trägers auf einem
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gedruckten Schaltkreis für Inspektion, Wartung und Reparatur zugänglich ist.
Zweckmäßigerweise enthält der den miniaturisierten Schaltkreis enthaltende Baustein einen isolierenden Träger mit im wesentlichen ebenen oberen und unteren Oberflächen. Mehrere isolierende Füßchen, erstrecken sich von der unteren Oberfläche des Trägers abwärts, wobei jedes Füßchen im Abstand von den anderen angeordnet ist, und jedes hat an seiner Unterseite eine metallisierte Schicht. Diskrete metallisierte Gebiete auf der oberen Oberfläche des Trägers stellen die Verbindung zwischen dem elektronischen Bauteil und den jeweiligen Füßchen dar, wobei sieh zwischen den diskreten metallisierten Gebieten und den metallischen Bereichen an der Unterseite der Füßchen Leiterpfade befinden.
Insbesondere wird erfindungsgemäß ein quaderförmiger Träger aus isolierendem Material mit einer Anzahl der nach unten weisenden Füßchen versehen. Leiterstreifen als Leitpfade erstrecken sich von den diskreten metallisierten Gebieten auf der Oberseite um die Kanten des quaderförmigen Körpers zu den metallisierten Schichten der Füßchen; sie können in einer weiteren erfindungsgemäßehen Ausführung auch durch den Träger selbst und mittig durch die Füßchen geführt sein, um wie gesagt die diskreten metallisierten Gebiete auf der oberen Oberfläche des Trägers mit denen der Füßchenunterseiten zu verbinden. Dabei können zweckmäßigrweise verschiedene Metalle für die metallisierten Gebiete der oberen Oberfläche · und diejenigen der Füßchenenden verwendet werden, um-optimale
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Verbindungen mit dem miniaturisierten elektronischen Schaltkreis und der gedruckten Schaltung zu erzielen.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung können den beigefügten Ansprüchen und/oder der folgenden Beschreibung entnommen werden, die der Erläuterung von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen der Erfindung dient.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Ansicht der Oberseite eines Trägers eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; .
Pig. 2 eine Ansicht der Unterseite des Trägers der Pig. I;
Fig. 3 einen Schnitt durch ein Füßchen des Ausführungsbeispiels -der Fig. 1, welches an einen gedruckten Schaltkreis angelötet ist;
Fig. 4 eine Ansicht des ganzen Trägers der Fig. I9 welcher mit einem gedruckten Schaltkreis verbunden ist;
Fig, 5 eine Oberansdcht eines weiteren Ausführungsbeispiels . der Erfindung; t-
6 eine Uhfcefansicht des Ausführungsbeispiels der Fig. 5;-
7 einen^ Schnitt durch das Ausführiingsbeispiel der Fig. 5ä
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Fig. 8 einen Schnitt durch ein Füßchen des Ausführungsbeispiels der Fig. 5» welches auf einen gedruckten Schaltkreis aufgelötet ist.
In den Fig. 1-k wird somit ein erstes, in den Fig. 5-8 ein zweites Ausführ.ungsbeispiel der Erfindung gezeigt. In den Fig. 1 und 2 ist der Träger durch das Bezugszeichen 10 ausgewiesen. Er weist einen quaderförmigen Körper 12 aus einem isolierenden Material auf ,beispielsweise aus' Kunststoff, Glas oder Keramik. Eine obere Oberfläche l*i des Körpers 12 ist im wesentlichen eben ausgebildet. In Fig. 2 ist eine untere Oberfläche 16 des quaderförmigen Körpers 12 zu erkennen, die im v;e s ent liehen ebenfalls eben ist, jedoch eine Anzahl, von in zwei Reihen angeordneten Füßchen l8 aufweist, die einstükkig mit dem Körper 12 und an dessen Ecken angeordnet sind; Bei diesem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung weisen die Füßchen rechteckförmigen Querschnitt auf.
Der quaderförmige Körper 12 und die einstückig mit ihm verbundenen Füßchen l8 können durch bekannte Herstellungsverfahren erzeugt werden. Beispielsweise kann der Körper 12 durch eine Dorstpresse aus Tonerde-Material auf bekannte Art und Weise gepreßt und danach gebrannt werden.
Auf der oberen Oberfläche Ik sind eine Vielzahl diskreter metallischer Leiterstreifen 20 erkennbar, die je nach Art der Anschlüsse verschieden ausgeführt sein können. Vorzugsweise in der Mitte der oberen Oberfläche 14 befindet sich ein miniaturisierter elektronischer Schaltkreis 22j kleine überbrückungsdrahtchen 2k verbinden die Schaltkreisanschlüsse des
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Schaltkreises 22 rait den Enden des jeweiligen- metallischen Leiterstreifens 20. Der Schaltkreis 22 kann eine größere Eahl aktiver und passiver Elemente enthalten, er kann jedoch auch nur einen einzelnen Transistor od. dgl. aufweisen/ Die Zahl der Püßchen l8 richtet sich nach der Anzahl der Ausgangs anschlüsse des Schaltkreises 22.
Leiterbahnen 26 von den äußeren Enden der metallischen Leiterstreifen 20 ab der oberen Ecke des quaderförmigen Körpers 12 bis zum untersten Teil der Püßchen 18 stellen Verbindungen zwischen den Leiterstreifen 20 und den unteren Stirnflächen 28 der Püßchen l8 dar. Die Flächen 28 bestehen aus einem Metallfilm, der auf dem isolierenden Grundkörper des Püßchenuntertexls aufgebracht wurde. .
Die metallischen Leiterstreifen auf dem Träger und die Filme auf den Füßchen können mittels einer der bekannten Techniken aufgebracht worden sein. Beispielsweise kann das bekannte Molybdän-Manganverfahren zur Metallisierung von keramischen Stoffen benutzt werden. Bei diesem Verfahren wird feinge- mahlenes Molybdän-Manganmetall mittels einer geeigneten Flüssigkeit als.Bindemittel auf eine durch eine Maske abgedeckte Oberfläche aufgebracht. Nach Wiederabnehmen der Maske wird die Molybdän-Manganhaut bei hohen Temperaturen 'eingebrannt, wodurch ein Metallfilm erzeugt wird, der fest an der Oberfläche des Keramikmaterials haftet. Weitere Schichten bspw.aus Nickel, Silber oder Gold können daraufhin durch Elektroplattierung erzeugt werden, um endlich eine Schicht weichen Metalls auf der Oberfläche zu schaffen, welche gute
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Sehweiß- oder Löteigenschaften aufweist.
Andererseits könnte auch eine Leiterpaste (low temperature conductive paste) an den entsprechenden Stellen des quaderförmigen Körpers 12 aufgetragen und dann in die Keramik eingebrannt werden. Ein solcher, bei niedrigeren Temperaturen stattfindender Herstellungsprozess vermeidet weitgehend die beim Molybdän-Manganherstellungsverfahren auftretenden hohen Kosten. In manchen Fällen kann es wünschenswert sein, den Schaltkreis 22 durch ein geeignetes Material zu ummanteln, beispielsweise durch Epoxy- oder ein anderes'Kunststoffmaterial, um ihn während der folgenden Bearbeitung und während des späteren Gebrauchs zu schützen.
In den Fig. 3 u. *J wird der Zustand gezeigt, der nach Anbringen des miniaturisierten elektronischen Schaltkreises 22 auf die obere Oberfläche 14 des Trägers 10, d.h. nach der Verbindung durch die überbrückungsdrähtchen 24, sowie nach der Verbindung des metallischen Films der Füßchen 18 mit entsprechenden Leiterbahnen einer gedruckten Schaltung 32 auftritt. Zur Verbindung kann eine der bekannten Verbindungstechniken verwendet werden, beispielsweise eine Lötfließtechnik (solder reflow technique) bei Verwendung eines heißen Luftstrahls. Andererseits könnte auch eine bekannte Ultraßchallverbindungs- oder Schweißtechnik benutzt werden. Durch Fig. 3 wird ein Vorteil dieser Technik dahingehend sichtbar, daß eine EckenausfÜliung 30 gut sichtbar erscheint, sobald die Lötung geglückt ist. -.".·'.
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Wie aus Fig. H ebenfalls zu erkennen ist, ruht die Unterseite der Füßchen 18 des Trägers 10 auf der Oberfläche der gedruckten Schaltung 32. Die Füßchen 18 tragen den Träger 10 mit seiner unteren Fläche im Abstand von der gedruckten Schaltung, so daß ein Einfließen und Einschließen irgendwelcher Materialien zwischen der Unterseite des Trägers 10 und der Oberfläche der gedruckten Schaltung 32 vermieden wird; durch einen Flüssigkeitsstrahl od. dgl. kann Flußmittel oder anderes sich unterhalb des Trägers 10 anhäufendes Material leicht abgeschwemmt werden. Im übrigen bieten die Füßchen eine , willkommene Orientierungsmöglichkeit zum richtigen Aufsetzen des Trägers 10 auf die gedruckte Schaltung.
In den Fig. 5-8 wird ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Der Träger besteht wiederum aus einem quaderförmigen isolierenden Körper ^O-mit im allgemeinen ebenen unteren und oberen Oberflächen. Metallische Oberfläehenbereiche Ü2 befinden sich auf der oberen Oberfläche des Körpers HO; sie sind durch eine der üblichen, auch oben beschriebenen Techniken aufgebracht; ihre Anzahl, Form und geometrische Auslegung richtet sich nach der Zahl der An-Schlüsse eines miniaturisierten elektronischen Schaltkreises M1 welcher sich vorzugsweise in der Mitte der oberen Oberfläche des Körpers kO befindet. Überbrückungsdrähtchen 46 , gestatten die Verbindung zwischen den letztgenannten Anschlüssen und jeweils einem der metallischen Oberflächenbereiche "k-2* .·.'... ' ■
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Gemäß Pig. 6 erstrecken sich Füßchen 48 von der unteren Oberfläche des Trägers nach unten; sie sind mit dem Körper 40 . vorzugsweise einstückig, jedoch ist ihr Querschnitt im Gegensatz zu den Füßchen l8 des ersten Ausführungsbeispiels (Fig. 1-1O kreisrund; er könnte jedoch auch dreieckig, polygonal od. dgl, sein. Die Füßchen sind unten vorzugsweise abgerundet, um eine möglichst kleine Kontaktfläche mit dem gedruckten Schaltkreis zu.haben; die unteren Stirnflächen sind dabei als metallische Kappen 50 ausgebildet, mittels derer der ohmsche Kontakt von einer gedruckten Schaltung 5^ zum integrierten Schaltkreis 44 hergestellt werden soll.
Dies geschieht gem. Fig. 7 so, daß Leiterbahnen 52 inmitten der Füßchen 48 die elektrische Verbindung zwischen.den Kappen 50 und den metallischen Oberflächenberexchen 42 bewerkstelligen. Gem. Fig. 8 wird jedes Füßchen so mit der darunterliegenden gedruckten Schaltung elektrisch verbunden, daß die Kappe 50 an letzteres angelötet, angeschweißt oder in anderer Weise in ohmsjie Verbindung gebracht wird. Durch ZinnflieSveL"-fahren od. dgl. (solder reflow techniques) beispielsweise unter Verwendung heißer Gasstrahlen kann eine solche Verbindung in vorteilhafter Weise durchgeführt werden. Andererseits kann es u.U. wünschenswert sein, den Träger durch eine externe Leistungsquelle vorzuheizen, um ihn dann lediglich gegen den gedruckten Schaltkreis anzudrücken. Ebenso kann eine Infrarotheizung benutzt v/erden um den Träger an der gedruckten Schaltung anzulöten.
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Zur Fertigung des Trägers des zweiten Ausführungsbeispiels gem. den Fig. 5-8 wäre zu sagen, daß der Körper HO aus Keramik vermittels einer Dorst-Presse gepreßt und dann gebrannt werden kann, wie dies oben anhand des ersten Ausführungsbeispiels erläutert wurde. Nun werden durch den Körper Ί0 und die jeweiligen Füßchen *f8 geeignete Löcher gebohrt. Zur Erstellung der Leiterbahnen 52 steckt man nun in diese Löcher geeignete Metalldrähte bzw. füllt die Löcher mit flüssigem Metall. Die Oberflächenbereiche k2 sowie die Kappen 50 werden nach einer w der üblichen, oben ebenfalls angedeuteten Techniken hergestellt. Die Kappen 50 erhalten dann zum Erleichtern des Lötvorgangs zweckmäßigerweise einen Zinnüberzug, indem man die Füßchen 48 in flüssiges Zinn eintaucht. Andere überzüge aus ähnlichen Kontaktmaterialien sind ebenso denkbar.
Die hier vorliegende Erfindung ermöglicht also ein sicheres Verbinden miniaturisierter Schaltkreisbausteine mit hybriden Schaltkreisen, wobei die Schaltkreisbausteine während und nach ihrer endgültigen Positionierung im hybriden Schaltkreis leicht geprüft und bearbeitet werden können. Die Füßchen gewähren eine sichere ohmsche Verbindung mit dem gedruckten Schaltkreis sowie eine leichte visuelle Überprüfung der Verbindung. Ebenso können irgendwelche Überreste, beispielsweise Flußmittel und dgl. infolge der Stelzenkonstruktion leicht unterhalb der Körper 12 und 40 entfernt werden. Durch eine solche Konstruktion werden eine große Anzahl vonmit flexiblen Leitungen verbundenen Problemen vermieden. Träger der hier vorliegenden Erfindung sind leicht zu handhaben sowie billig und rationell herzustellen« .
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Claims (8)

Patentansprüche
1. I Träger für elektrische Bauteile und integrierte Schaltungen, der einen Körper aus einem isolierenden Werkstoff mit ebenen oberen und unteren Oberflächen aufweist, auf dessen oberer Fläche metallische Oberflächenbereiche vorgesehen sind, an die die Bauteile bzw. integrierten Schaltungen anschließbar sind, sowie mit Leiterbahnen, die von den metallischen Oberflächenbereichen nach unten führen, dadurch gekennzeichnet, daß an der Unterseite des isolierenden Körpers in an sich bekannter Weise im Abstand voneinander mehrere nach unten vorspringende Füßchen aus isolierendem Werkstoff vorgesehen sind, bis zu deren unteren Stirnflächen sich die Leiterbahnen erstrecken.
• 2. Träger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die unteren Stirnflächen der Füßchen mit einem Metallfilm versehen sind, an dem die Leiterbahnen angeschlossen sind.
3. Träger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen durch den Träger hindurchführen und insbesondere als Drähte ausgebildet sind.
4. Träger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen um die seitlichen Kanten des Körpers herum verlaufen.
5. Träger nach einem oder mehreren der vorstehenden An-Bprttche, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterseite der Iftißehen im wesentlichen halbkugelig ist.
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21. Aug. 1969
6. Träger nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Füßchen einen kreisförmigen Querschnitt haben.
7. Träger nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 2-6, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Oberflächenbereiche und die Metallfilme der Füßchen aus verschiedenen Metallen bestehen.
8. Träger nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper Quader-
W form aufweist und die Füßchen/längs der. unteren Kanten des Körpers angeordnet sind.
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ORIGINAL INSPECTED
Leerseite
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